Maîtriser le vieillissement des membranes pour optimiser le traitement des eaux usées

Dans le cadre de sa démarche Inneauvation, le SIAAP mène depuis plusieurs années, en partenariat avec INRAE et le Laboratoire de Génie Chimique (LGC), des travaux de recherche appliquée sur le fonctionnement et la durabilité des membranes de filtration utilisées en station d’épuration. Ces recherches apportent aujourd’hui des résultats concrets pour mieux anticiper le vieillissement des membranes, optimiser leur exploitation et sécuriser la performance des installations d’assainissement franciliennes. Elles sont présentées dans le fascicule Inneauvation « Membranes : maîtriser le vieillissement des membranes de filtration des usines d’épuration »

Stations d'épuration équipées de bioréacteurs à membrane : des enjeux techniques et économiques majeurs

Les bioréacteurs à membranes (BRM) occupent une place importante dans le traitement des eaux usées : ils permettent de séparer finement l’eau traitée des boues, afin d’obtenir une qualité d’eau élevée. Au SIAAP, cette technologie repose sur un parc membranaire de grande ampleur, installé notamment sur les usines de Seine Aval et de Seine Morée.

Au fil du temps, les membranes subissent différentes altérations liées à leurs conditions d’utilisation : nettoyages chimiques répétés, contraintes mécaniques dues à la filtration et à l’aération des fibres, ou encore colmatage irréversible obstruant les pores. Ces phénomènes entraînent progressivement une baisse des performances de filtration, une hausse des besoins de maintenance et, à terme, le remplacement des équipements.

Mieux comprendre ces mécanismes est donc essentiel pour garantir durablement la performance épuratoire des installations, maîtriser les coûts de renouvellement et limiter leur empreinte environnementale.

Comprendre, diagnostiquer et anticiper la fin de vie des membranes

Depuis 2015, l’unité de recherche d’INRAE Procédés biotechnologiques au service de l'environnement (PROSE, Antony, 92) collabore avec le SIAAP – Direction de l’innovation (Colombes, 92) et le Laboratoire de Génie Chimique (Toulouse, 31) sur la thématique des membranes de BRM. L’objectif est de développer des outils opérationnels permettant d’analyser leur vieillissement et d’identifier les paramètres d’exploitation qui l’accélèrent.

Un premier volet de recherche a porté sur l’impact des nettoyages chimiques, réalisés à l’aide de bains successifs d’acide et d’eau de Javel pour limiter le colmatage. Ces essais, menés en laboratoire, ont permis d’évaluer les effets de l’exposition aux réactifs sur plusieurs caractéristiques des membranes : résistance mécanique, composition chimique de surface, morphologie et performances de filtration. Ces analyses se sont appuyées sur les équipements de la plateforme membranes du SIAAP.

En parallèle, des prélèvements ont été effectués sur plusieurs années sur les modules industriels de filtration exploités par le SIAAP. La comparaison entre les résultats obtenus en laboratoire et ceux observés sur les installations en conditions réelles a permis de mieux comprendre les écarts entre vieillissement expérimental et vieillissement en exploitation. L’analyse des données de fonctionnement a également permis de relier certaines pratiques d’exploitation à l’état des membranes, et de poser les bases d’un outil d’estimation de leur durée de vie.

Un pilote qui fait vieillir les membranes 10 fois plus vite

Les résultats en laboratoire ont toutefois des limites : pour se rapprocher des conditions réelles, il fallait travailler à une échelle plus représentative. Ces travaux ont été complétés avec l’installation d’un pilote semi-industriel directement à Seine-Aval, dans une première zone de 2016 à 2018, puis dans une seconde zone de 2019 à 2021. Cette échelle d’étude permet de travailler sur des modules comparables à ceux des installations industrielles, alimentés avec les mêmes boues prélevées en continu dans les bassins de la station, tout en conservant la souplesse d’expérimentation propre à un pilote. Dans un premier temps, ce pilote a permis d’étudier l’aération des membranes et de mieux comprendre son influence sur la filtration, puis sur leur vieillissement. Avec le soutien de l’Agence de l’Eau Seine-Normandie, cet outil a ensuite évolué vers une plateforme opérationnelle de vieillissement accéléré à échelle représentative. 

Des outils pour décider quand et comment remplacer

Ces recherches permettent au SIAAP de disposer au quotidien d'outils concrets pour piloter son parc membranaire : suivre l'évolution de l'état des membranes, simuler en un temps réduit plusieurs années de fonctionnement afin d'en comprendre l’évolution et de comparer différents types de membranes, et orienter ainsi les choix de gestion et de remplacement.
Le fascicule Membranes – Maîtriser le vieillissement des membranes de filtration en usine d’épuration s’adresse aux exploitants, ingénieurs et décideurs publics confrontés à la gestion d’un patrimoine membranaire de grande ampleur, dans un contexte de contraintes réglementaires, économiques et environnementales accrues. Au-delà du SIAAP, ces travaux posent les bases d'une gestion raisonnée et anticipée des parcs membranaires à l'échelle nationale.